1.1 Мощные импульсные CO2- лазеры и особенности их конструкции

Импульсные CO₂- лазеры высокого давления, способные работать при давлении активной среды близком к атмосферному, обладают большим коэффициентом полезного действия при весьма высоких удельных выходных параметрах [1-15].

В импульсных CO₂- лазерах это противоречие разрешено благодаря использованию следующих технических решений:

1. длительность электрического разряда, вкладывающего в активную среду энергию, необходимую для преобразования в индуцированное излучение, уменьшена относительно времени релаксации возбужденной газовой смеси;

2. были разделены процессы образования свободных электронов в активной среде и накачки этими электронами молекул рабочего газа для создания инверсной заселённости [2, 3-6, 9, 12-15].

Оказывается, что для генерации в активной среде свободных электронов требуются большие градиенты напряжения электрического поля накачки, чем для последующего возбуждения молекул с целью создания инверсной заселённости в среде. Поэтому ионизация активной среды создаёт электроны с энергией, заметно превышающей оптимум, при котором сечение процесса возбуждения рабочих молекул максимально. Однако в этом случае исключается совмещение этих процессов в обычном

разряде при высоких давлениях газа.

Короткое по времени, мощное возбуждение плотной активной среды при наличии предионизации реализовано путём создания, так называемого, поперечного разряда. Так был найден способ возбуждения газа, позволивший при сохранении приемлемых рабочих напряжений, вводить значительные плотности электрической энергии в крупные рабочие объёмы лазерных устройств.

Техническая реализация способа предионизации плотной активной среды возможна двумя основными путями:

1. Используется пучок высокоэнергетических частиц, создаваемый автономным устройством, например, электронным ускорителем, и вводимый внутрь газоразрядной камеры для предионизации разрядного промежутка [4, 14].

2. Предионизация осуществляется вспомогательным разрядом, создаваемым непосредственно внутри камеры.

Ученые Канады, США и европейских стран обычно называют электроразрядные лазеры высокого давления с поперечным разрядом TEA лазерами (по аббревиатуре - английского термина «transversally excited atmospheric pressure laser»). Лазеры, использующие для предионизации ускоритель электронов, в России принято называть электроионизационными (ЭИЛ). Применяющие второй способ, - электроразрядными (ЭРЛ). Активная среда может быть предионизована рентгеновским излучением [2, 5, 9] и реакторным излучением [1, 2, 7-9].

Известно, что молекула CO₂имеет в диапазоне 9-11 мкм 4 спектральные ветви, каждая из которых состоит из 30 колебательно-вращательных линий. В CO₂- лазерах получена генерация на нескольких десятках линий в диапазоне 9-11 мкм (рисунок 1.1), причём используя различные изотопы углерода и кислорода можно получить заметный изотопический сдвиг [1].

Рисунок 1.1 - Спектры поглощения основных боевых отравляющих веществ в диапазоне 9,0 - 11,5 мкм. Положение полос излучения CO₂- лазера с изотопами ¹²CO₂и ¹³CO₂ [1]

В отсутствие селектирующих элементов в резонаторе лазера генерация происходит на длине волны 10,6 мкм. Несколько меньший коэффициент усиления наблюдается на λ=9,55 мкм. В случае использования селективной оптики генерация на этой длине волны организуется со сравнительно небольшими потерями мощности.

Физические аспекты работы CO₂- лазеров, их способность обеспечить высокий КПД преобразования энергии накачки в энергию индуцированного излучения подробно освещены в многочисленных статьях и монографий, например [1-15].

Конструкции импульсных CO₂- лазеров как ЗИЛ, так и ЭРЛ, включают в себя следующие основные части (см., например, [2, 4, 6, 14, 15]):

-газоразрядная кювета с рабочей смесью и электродами для возбуждения разряда;

-предионизатор разрядного промежутка (в ЭРЛ он обычно находится внутри кюветы в качестве дополнительной электродной системы);

-резонатор с оптическими элементами для вывода излучения, обеспечивающий заданную расходимость;

-источники электропитания систем предионизации и основного разрядного импульса, вместе со схемами формирования;

-система газонаполнения кюветы рабочей смесью и предварительной прокачки (или промывки);

-система прокачки газовой смеси (замкнутая или открытая) через разрядный промежуток кюветы (для частотно-импульсного режима работы);

-пульт управления рабочими параметрами системы и контрольно-измерительная аппаратура для измерения параметров излучения.

Предметом настоящего исследования являются зеркала оптического резонатора и окна для вывода излучения из кюветы. Принципы работы оптических резонаторов, методы их расчёта, особенности конструкции, изложены во многих монографиях и статьях, например, [16-18]. В работах [19, 20] проведен подробный обзор исследований теплофизических процессов в металлических зеркалах мощных лазеров.

Созданы электроразрядные CO₂- лазеры с выходной энергией до 10÷15 кДж в импульсе [2-4, 9, 12, 13]. В работе [15] сообщается об исследовании лазера с объёмом активной среды 0,28 м³. Авторы предполагают, что при зафиксированном энерговкладе можно было бы получить на выходе до 10 кДж, но, из-за отсутствия в их распоряжении необходимого выходного зеркала, зарегистрирована выходная энергия, составлявшая лишь 1,9 кДж. Ими был получен разряд при сечении активной среды ~ 700?700 мм², в объёме до 1 м³. Нетрудно оценить, что при удельном энергосъёме 30÷50 Дж/л и решении проблемы резонаторной оптики этот лазер способен излучать импульсы с энергией до 30 ÷50 кДж.

TEA CO₂- лазеры в режиме свободной генерации излучают импульсы длительностью τ до 5÷10 мкс [2, 4, 6, 14, 15]. Форма импульса такова, что его можно условно разделить на узкий, весьма интенсивный пик треугольной формы длительностью 0,l÷0,2 мкс и экспоненциально затухающий «хвост», содержащий, как правило, значительную долю энергии (рисунок 1.2) [6, 21]. В то же время, существующие разнообразные способы управления формой и длительностью лазерного излучения позволяют генерировать импульсы cτ= 10'¹⁴÷10^³с [1, 2, 7-9,].

В настоящее время активно ведутся работы по увеличению пиковой мощности за счёт сжатия импульса, что привело к созданию терраваттных CO₂- лазеров [2, 5] с энергией в пикосекундном импульсе до нескольких десятков Дж. Такие лазеры предназначены для экспериментов по получению высокояркостных источников рентгеновского излучения, по ускорению заряженных частиц световой волной, а также для преобразования 10-микронного излучения в мощное терагерцовое.

технологических применений.

Рисунок 1.2 - Форма импульса излучения электроразрядного СО2 - лазера [21]

Для экспериментов по получению высокояркостных источников рентгеновского излучения из плазмы оптического пробоя, в том числе и для фотолитографии [22], по ускорению заряженных частиц световой волной [2], а также для получения мощного террагерцового излучения [23], необходимо получать импульсы cτ ≤ IO'¹²с, для лазерной локации - τ = 3?10'⁸ с [11]. Для технологических применений стараются применять излучатели с максимальным КПД, то есть лазеры, работающие в режиме свободной генерации и даже с более длительными импульсами (τ ≤ IO'³с) [1, 2, 7]. Использование технологии регенеративного усиления позволяет преобразовывать непрерывное лазерное излучение в частотно-импульсное (τ ≈ IO'⁸- IO'⁶ c., f ~ десятки кГц) практически без снижения к.п.д. [24]. Этот режим только начинает осваиваться, но уже показал значительные перспективы для технологических применений.

Поскольку размеры разрядного промежутка могут достигать нескольких десятков сантиметров, апертура необходимой резонаторной оптики должна быть достаточно велика. Поэтому рост апертуры мощных СО2 - лазерных систем во многом сдерживается не только возможностями создания мощных источников электропитания, но и необходимостью изготовления высококачественных оптических элементов соответствующих габаритов.

Проблема создания «глухих» отражающих зеркал для СО2 - лазеров решается путём использования металлических зеркал. История этого вопроса, а также возможности перспективных материалов для лазерной металлооптики подробно изложены в разделе 1.4.

медных зеркал импульсных CO₂- лазеров и некоторых физико-химических процессов, происходящих при этом в зеркалах, изложены в главе 6.

Выбор подходящих прозрачных оптических материалов для диапазона 10 мкм крайне ограничен. Анализу свойств этих материалов и особенностей их поведения в поле мощного лазерного излучения посвящены разделы 1.2 и 1.3.

Коэффициент усиления активной среды мощных импульсных электроразрядных CO₂- лазеров обычно составляет ~ 0,03÷0,05 см'¹[1, 7]. При типичной длине активной среды одного модуля 1÷2 м прозрачность выходного зеркала должна быть ~ 50÷70 %. В работе [2] сообщается, что реально реализуемая длина активной среды ~ 1 м ограничивается оптической стойкостью выходного окна. Во-многом поэтому, а также вследствие сложности изготовления высококачественных крупногабаритных выходных зеркал и окон, прозрачных на длине волны генерации, в таких системах почти не используются окна Брюстера. В этом случае для исследования свойств лазера и ряда прикладных процессов наиболее распространённым типом резонатора является сравнительно простой полуконфокальный резонатор, состоящий из «глухого» цельнометаллического зеркала (обычно медного) с радиусом 10÷50 м и плоского, полупрозрачного выходного зеркала, одновременно выполняющего функции окна между активной средой и атмосферным воздухом. В отличие от широко применяемых твердотельных лазеров видимой и ближней ИК - областей спектра, на длине волны 10,6 мкм сравнительно редко используются многослойные интерференционные покрытия. Механическая и оптическая стойкость интерференционных покрытий очень заметно падает с ростом толщины и количества слоёв [25]. Ввиду относительно большой толщины плёнок крайне сложно получать покрытия, порог повреждения которых был бы близок к порогу оптической стойкости (ПОС) подложки [25]. Поэтому в мощных ИК лазерах вывод излучения стараются производить с помощью плоскопараллельных пластин из материалов с высоким показателем преломления, либо пластин с однослойными покрытиями.

В высокомощных лазерных системах, а также в лазерах с повышенными требованиями к расходимости и качеству излучения, как правило, используют телескопические неустойчивые резонаторы [16-18]. Для вывода излучения из таких лазеров обычно используется окно из прозрачного материала, но иногда (в случае недостаточной оптической стойкости) применяют аэродинамическое окно [16].